时间分辨腔衰荡光谱测量装置

本公开涉及光谱测量领域，具体涉及一种时间分辨腔衰荡光谱测量装置。

背景技术：

1、分子吸收光谱技术是一种测量待测目标气体分子浓度的技术，其被广泛应用于大气痕量气体、自由基及同位素的探测与研究。近年来，随着激光技术的快速发展，基于连续波窄线宽激光的腔增强技术受到了人们的广泛关注。

2、目前，人们为了解决连续波窄线宽激光与光学谐振腔的模式匹配问题，作了一系列有益的尝试和努力，如专利文献cn 110160989 a《一种痕量气体的探测方法及探测装置》，该专利文献中提出一套反馈控制装置，通过实时调整光学谐振腔的长度，以调节所述光学谐振腔的纵模频率，用于控制激光频率与所述光学谐振腔的纵模频率匹配。但该方法仅适用于连续流体系的探测，无法实现脉冲体系中的时间分辨谱学研究的开展。

3、又如专利文献cn 114279996 a《基于离轴积分腔的气相过氧化氢浓度检测系统》，该专利文献中提出一种解决连续波窄线宽激光与光学谐振腔的模式匹配问题的技术方案，其通过调节激光入射光学谐振腔的角度，实现激光的离轴入射激发光学谐振腔更多的高阶横模，以实现激光连续的注入光学谐振腔，但是激光的离轴入射将高能基模中的能量分摊给密集的高阶横模中，这无疑会使输出激光的光强大幅降低。为此美国专利文献us20140319352提出一种提高离轴积分腔透过光强的技术方案，通过在光学谐振腔前再加一前级光腔，将离轴入射光学谐振腔的激光被高反射镜反射回的部分通过前级光腔来回反射实现多次进入光学谐振腔，以增强最终透射光的光强。同时，高频白噪声调制激光器电流以增加激光线宽的方法也被提出用来解决腔模式匹配问题。现有时间分辨光谱的技术主要有门控和时间相关单光子计数(time-correlated single photon counting，tcspc)。

4、在实现本发明构思的过程中，发明人发现相关技术中至少存在如下问题：现有技术中连续波激光与光学谐振腔耦合效果较差；时间分辨光谱采集速度较低，无法实现连续波激光与脉冲等离子源时序匹配，光谱测量灵敏度较低等问题。

技术实现思路

1、为解决现有技术中的所述以及其他方面的至少一种技术问题，本公开提供一种时间分辨腔衰荡光谱测量装置，能够增大光学谐振腔内待测样品的吸收程，实现脉冲等离子体源体系的光谱测量，提高时间分辨光谱的分辨率。

2、根据本公开的一个方面，提供了一种时间分辨腔衰荡光谱测量装置，包括：

3、激光光源模块，适用于产生连续波激光；

4、第一脉冲延迟发生器，适用于提供外部调制信号的时间零点；

5、第二脉冲延迟发生器，适用于根据上述时间零点对上述外部调制信号的脉冲宽度和延迟进行调节，并获得时序信号；

6、半导体光学放大器，适用于利用上述时序信号对上述激光进行脉冲化得到脉冲激光；

7、波长计，适用于获得上述脉冲激光的波长；

8、光学谐振腔，适用于接收待检测脉冲等离子源产生的脉冲等离子体，其中，上述脉冲激光在上述光学谐振腔内多次反射以提高上述脉冲等离子体对上述脉冲激光的吸收，以及

9、光电探测器，适用于接收上述光学谐振腔出射的光信号，并将上述光信号转换为电信号，获得上述脉冲激光在上述光学谐振腔内的衰荡时间；

10、其中，上述脉冲激光与上述脉冲等离子体时序匹配，利用上述脉冲激光的波长和上述衰荡时间，获得上述脉冲等离子体的吸收光谱。

11、根据本公开的实施例，上述时间分辨腔衰荡光谱测量装置，还包括离轴及再入射模块，上述离轴及再入射模块包括：

12、第一反射镜，设置在上述光学谐振腔之前，上述第一反射镜用于将上述脉冲激光离轴入射至上述光学谐振腔内；以及

13、带孔反射镜，设置在上述第一反射镜和上述光学谐振腔之间，上述带孔反射镜适用于将上述光学谐振腔反射回来的脉冲激光再次反射注入上述光学谐振腔内；

14、其中，利用上述第一反射镜与上述带孔反射镜，将上述脉冲激光与上述光学谐振腔反射回来的脉冲激光注入至上述光学谐振腔内。

15、根据本公开的实施例，上述时间分辨腔衰荡光谱测量装置，还包括：

16、示波器，用于显示上述光学谐振腔输出的透射光光强随时间变化的波形；

17、其中，根据上述光学谐振腔输出的透射光光强随时间变化的波形调节上述时序信号，以保证上述脉冲激光与上述脉冲等离子体时序匹配。

18、根据本公开的实施例，上述时间分辨腔衰荡光谱测量装置，其中，上述时序信号为双脉冲信号，上述脉冲激光为双脉冲激光，上述双脉冲激光包括：

19、第一脉冲激光，在上述光学谐振腔内来回反射，部分第一脉冲激光与上述脉冲等离子体发生相互作用，获得第一衰荡时间，以及

20、第二脉冲激光，在移除上述脉冲等离子体源的上述光学谐振腔内来回反射，获得第二衰荡时间；

21、其中，根据上述第一衰荡时间、上述第二衰荡时间和上述光学谐振腔的腔长获得待检测脉冲等离子源的光吸收率。

22、根据本公开的实施例，上述时间分辨腔衰荡光谱测量装置，其中，上述激光光源模块包括：

23、可调谐半导体激光器，被构造成根据调节上述可调谐半导体激光器的谐振腔长度改变上述连续波激光的波长。

24、根据本公开的实施例，上述时间分辨腔衰荡光谱测量装置，其中，上述激光光源模块还包括：

25、信号发生器，适用于产生调制波形信号，上述信号发生器根据上述调制波形信号调节上述激光的线宽，以降低上述脉冲激光在上述光学谐振腔内的腔模式噪声。

26、根据本公开的实施例，上述时间分辨腔衰荡光谱测量装置，其中，上述激光的连续单模扫描范围大于10cm-1，输出功率大于100mw，波长调谐范围为980nm-1550nm。

27、根据本公开的实施例，上述时间分辨腔衰荡光谱测量装置，其中，

28、上述光学谐振腔包括：

29、真空实验腔体；

30、两片高反射镜，平行地设置于上述真空实验腔体的两端，两片上述高反射镜适用于实现上述脉冲激光的来回反射。

31、根据本公开的实施例，上述时间分辨腔衰荡光谱测量装置，其中，上述两片高反射镜的镜片直径的范围为0.5-5inch，中心波长处反射率大于99.9％，上述两片高反射镜之间的距离小于1m。

32、根据本公开的实施例，上述时间分辨腔衰荡光谱测量装置，还包括：

33、聚焦透镜，设置在上述光学谐振腔与上述光电探测器之间，适用于收束聚焦上述光学谐振腔输出的透射光，以保证上述脉冲激光尽可能被上述光电探测器收集。

34、根据本公开实施例的时间分辨腔衰荡光谱测量装置，通过设置激光光源模块产生连续激光，设置第一脉冲延迟发生器提供外部调制信号的时间零点，第二脉冲延迟器根据时间零点调节外部调制信号脉宽和延迟，获得时序信号，半导体光学放大器通过时序信号将激光脉冲化，脉冲激光与脉冲等离子体时序匹配，进而增大光学谐振腔内脉冲激光与脉冲等离子体的有效吸收程，即谐振腔内激光与样品相互作用的有效长度，提高了时间分辨光谱的分辨率，实现了脉冲等离子体源体系的光谱测量。